高中物理概念深度教學的“五個維度”
——以“光的全反射”聽評課為例

孟擁軍

(江蘇省高淳高級中學，江蘇 高淳 211300)

高中物理概念深度教學的“五個維度”
——以“光的全反射”聽評課為例

孟擁軍

(江蘇省高淳高級中學，江蘇 高淳 211300)

物理概念教學研究也許是“老調”,“新彈”的原因是當前的高中物理概念教學依然缺乏深度、甚至無效．在此提出從“適切的導入、逼真的情景、精當的設問、切身的體悟、主動的生成”這5個維度來設計概念教學,旨在引領教師要深入研究學生學習物理概念的起點在哪里,學生可能會在哪個學習目標上有困惑、是什么困惑;旨在引領教師要究根學生背后的思維、究根精當的教學方法,以突破學生的思維“瓶頸”,將思維引向有序、引向深層,凸顯物理概念學習的深度．

導入； 情景； 設問； 體悟； 生成

在深入推進課堂教學改革的大背景下,我校物理教研組成功申報了江蘇省十三·五規劃重點課題“高中物理概念學習的深度教學實踐研究”.課題組對校內、外多節物理概念教學的常態課、公開課和優質課進行了深度研討,總結了高中物理概念深度教學的“5個維度”,即:適切的導入、逼真的情景、精當的設問、切身的體悟、主動的生成．現以“光的全反射”一節的聽評課為例加以說明．

1 適切的導入

評書開講時,常擲地有聲、先聲奪人．課堂教學的導入就好比提琴家上弦、歌唱家定調,第一個音定準了,就為整個演奏和歌唱奠定了良好的基礎．適切的導入能集中學生的注意力,引領研究的方向,有著“從旁指點桃源路,引得漁郎來問津”的功效．

教學實錄1.

圖1 圖2

導入2:演示“消失”的硬幣:教師將硬幣放在硬紙板上,再放上一個空玻璃杯(如圖3),來回走動并問學生“看到硬幣了嗎”,然后向玻璃杯中加入半杯水(如圖4),再讓學生觀察,并問“看到硬幣了嗎”．

圖3 圖4

接著教師演示“神奇”的玻璃導光,教師提出“同學們日常看到的光總是沿直線傳播,對吧”．然后拿出1根彎曲的玻璃棒并用激光筆照射,紅光沿彎曲的玻璃棒傳播(如圖5)．學生正用“神奇”的目光注視玻璃棒時,教師又將通紅的玻璃棒放入裝有縫紉機油的燒杯中,此后玻璃棒中的紅光不見了,而跑到了燒杯的底部(如圖6),學生都驚訝地齊喊“哇塞”．教師任由學生交頭接耳,轉身在黑板上寫下“13.2全反射”這一標題．

圖5 圖6

聽課評價： “適切的導入”可以強化學生的感知態度,吸引學生的眼球,使學生對新課有一種期待．本環節教學中,教師巧用“認知沖突”,學生感受到原有概念“失效”了,促進了原有概念“解構”．教師妙用“新異刺激”,使學生處于“憤”的心理狀態,激起了學生“心求通”的愿望．“適切的導入”猶如微風乍起,吹皺一池春水,陣陣漣漪打破了學生腦海中的平靜,攪動了學生的認知波瀾．而教師只出示主題沒有解釋緣由,達到了“從旁指點桃源路,引得漁郎來問津”的效果．

觀摩反思： 導課的具體形式是多樣的,有故事講述導入、體驗式導入、實驗導入、設疑導入、復習導課等．適切的導入應在新穎性、趣味性、簡潔性的前提下,與學習者的實際情況相匹配,與學習者面臨的學習任務和特定的情境相契合．也就是說新課導入必須因人而異、因課而異,最適合的才是最好的．

2 逼真的情景

課堂教學中,“情境”始終是一個核心和關鍵的元素,它是連接師、生、知識三體的紐帶,是課堂文化的載體,是學生認知活動的媒介．“逼真的情景”為學生建構概念提供豐富的感觀,是新概念建立的思維助手,引領學生拾級而上,是物理概念深度學習的必備條件．

教學實錄2.

圖7

教師演示1:觀察如圖7所示的激光演示儀中的激光光路的變化?交流看到的現象?這能說明什么?

學生:隨著入射角增加,折射角增大,折射光線的亮度減弱,反射光亮度增強,入射角增大到某一值時,折射角達到90°,此后折射光完全消失,只剩入射光和反射光(如圖8)．

圖8 圖9

入射角折射角30°60°31°63°32°67°33°71°34°76°35°84°35．2°89°35．3°90°35．4°？

圖10

教師演示2:觀察如圖10所示激光演示儀中的激光光路的變化?交流看到的現象?這能說明什么?

學生:隨著入射角增加,折射角增大,折射角總小于入射角,當入射角接近90°時,折射角小于90°,即仍然有折射光線,也就是不會發生全反射(如圖11)．

圖11 圖12

教師演示3:如圖12所示，觀察激光在盛水的U型管中的光路(管壁玻璃很薄,可以忽略),交流看到的現象?這能說明什么?(學生歸納:激光入射到水與空氣的分界面時,只有入射與反射光線,說明激光全部反射,而沒有折射，即全反射.)

教師演示4:將盛水的U型管放入水中,再用激光斜射到管口．(學生歸納:激光不彎折,而是進入U型管外的水中傳播．)

聽課評價： 夸美紐斯說過“一切知識都是從感觀開始的”．教師的課堂導入置學生于“心求通而未得其意”之境,而本環節教學中的創意演示,呈現了一道一道視覺“盛宴”,使學生思維之門頓開,達成了“開其意”之目的．教師并沒有太多的言辭,只是運用對比實驗以啟思,營造了“接天連葉無窮碧,映日荷花別樣紅”的課堂畫面,可謂“無語處皆成妙境,無語處盡得風流”．

觀摩反思：以抽象的、無背景的方式去教授教學內容,必然導致“惰性”的知識．[1]每一個物理概念都是在大量觀察和實驗的基礎上,運用邏輯思維的方法,將物理現象、物理過程的本質屬性加以抽象和概括而形成的．從學生身邊的或易產生興趣的事物或現象入手,創設豐富多彩的“經歷型”和“體驗式”教學情景,激發學生學習的情感,激活學生的思維,“物理概念學習由表層的符號認知走向深度理解”必將由應然走向必然．因此,物理概念教學要“聚焦”概念背后的故事,像科學家一樣思考,使學生的概念建構過程成為形成學法的過程,必有“牧童遙指杏花村”般地可觸摸的價值導向．

3 精當的設問

《禮記·學記》中說“善問者如攻堅木:先其易者,后其節目”．精當的設問如同開山的斧子、深耕的犁杖,發揮著“搭橋引路、拋磚引玉、穿針引線、投石激浪”等功效,是學生深度建構物理概念的催化劑,“精”指的是精煉扼要、言簡意賅,“當”指的是得當、切中要害、啟迪思維．

教學實錄3.

(教師)經歷上述對比實驗的觀察,請運用觀察所獲得的認識回答下列問題:

(1) 各種材料的折射率如表2所示.下列哪些情況,光進入兩種介質的分界面可能發生全反射現象?

A組 B組

空氣→玻璃 玻璃→空氣

空氣→水 水→空氣

水→玻璃 玻璃→水

水晶→金剛石 金剛石→水晶

表2

(2) 設某種介質的折射率為n,光由該介質進入真空或空氣中恰好能發生全反射,此時入射角為多少?(用三角函數表示即可)

(3) 光發生全反射的條件有哪些?

聽課評價： 蘇格拉底認為“最有效的教育方法不是告訴人們答案,而是向他們提問”．確實,教師設計的對比實驗有強烈的吸引力,能激發學生的興趣,可是有的學生只圖一時的新鮮,不求甚解,有的僅僅是湊湊熱鬧而已．為了促進學生深度建構科學概念,教師必須趁熱打鐵,通過問題激發學生對“感觀”進行反思和提煉．本環節教學中的問題1天然清新,摒棄纖麗浮華的敷飾,為學生提供折射率參數表,很好地啟發了學生在對比中建構“只有光從光密介質入射到光疏介質才可能發生全反射”這一條件,可謂“豪華落盡見真淳”．問題2需要學生運用折射定律做一定的運算推導,是對“感觀”中所獲信息的“遷移與拓展”．問題3是簡樸的歸納性提問,是對問題1和2的總結,為學生留足自主建構的時間與空間．3個問題形成的“問題串”蠶食鯨吞,“全反射條件”的教學生成自然順暢．

觀摩反思： 深度學習理論強調“只有學習者自己才能夠建構新概念,沒有人可以替代學習者進行學習”．但是由于概念學習的復雜性,由學習者單獨發現“概念的全部要素”是極其困難的．[2]這時,教師的作用就顯得很重要,教師雖然不能直接傳遞概念的符號及意義給學生,但是可以設計精當的問題與學習者進行心智互動,促進學生有意義學習的發生．精當的設問如同開山的斧子、深耕的犁杖,開挖“于無疑處生疑”的源頭活水,教學生成自然是“嫁與春風不用媒”．

4 切身的體悟

知識不僅僅是作為一個名詞(knowledge)來接受,而是作為一個動詞(knowing)來經歷．[3]物理概念教學要創設體悟式教學活動,讓學生用“身”體之,以“心”悟之,最大限度地動手、動口、動眼、動腦,使教學成為學生自己的學習活動,使物理概念的學習由表層的符號認知走向深度理解,從而實現概念教學的多重價值．

教學實錄4.

經歷上述3個過程的教學,學生已初步理解了“光的全反射”這一新概念,但多數學生還處在符號層面的淺層理解水平,要使新概念與原有的認知結構相融合,并將眾多思想相互關聯,教師必須提供調用新概念解決問題的情境,新習得的概念才能真正安置下來．教學過程如下.

問題1.如圖13(a)(b),讓一束激光垂直等腰直角三棱鏡的直角邊或斜邊入射,設該玻璃的折射率為1.5,試畫出光路圖，動手實驗驗證其可行性.

圖13

圖14

拓展與遷移:如圖15(a)(b)所示，簡述雙筒望遠鏡、自行車尾燈中的等腰直角三棱鏡對光的作用?

圖15

問題2.做一做:如圖16所示，從礦泉水瓶背面用激光筆照射小孔,觀察流出的水柱,看到了什么?試解釋這一現象?

遷移拓展1:想一想:如圖17所示，“絢麗多彩的噴泉夜景”是怎樣形成的呢,畫圖解釋.

遷移拓展2:光導纖維是非常細的特制玻璃絲,直徑只有幾μm到100 μm之間,由內芯與外套兩層組成,光信號在內芯與外套的界面上發生了全反射,如圖18所示.內芯的折射率與外套的折射率相比,哪個大?

圖16 圖17

圖18

遷移拓展3:(光導纖維應用演示儀)用光導纖維傳遞載有手機音樂信號的光,并通過揚聲器播放出來,試解釋其工作原理.

聽課評價： “紙上得來終覺淺,絕知此事要躬行”．本環節教學中,教師的“問題1及拓展”采用了從理論到實驗驗證的教法,學生既調用了“光的全反射”這一新概念,也直觀感受了新概念的特征和意義,為新概念的安置找到了“固著點”．在“問題1及拓展”的教學中,教師讓學生通過“做一做”和“想一想”先體驗,再讓學生構建“光導纖維的物理模型”,最后回答問題,其目的是引導學生借助“水流導光”這一思維助手來“悟”出光導纖維的結構及原理,化抽象為直觀、分散了難點、減小了“臺階”的梯度．“教之道在于度,學之道在于悟”就是這個道理．

觀摩反思： 美國著名心理學家舒爾曼(1985年)指出:應該意識到學習的本質不只是“做”(doing),也包括對“做”的思考(thinking)．“做”中學、“用”中學,是深度學習的重要策略．物理教師應懂得課堂不僅僅是呈現“鮮花”或傳授“一桶水”,更應該有“花開的聲音”,更應有生命的張揚與智慧的激蕩,所以,課堂上最美的是學生生命“拔節”的聲音．讓學生經歷切身的體悟,課堂才有生命的張力．“切身的體悟”總以“生長”的姿態指向生命力在原有基礎上逐漸強大．

5 主動的生成

蘇霍姆林斯基說過:在人的心靈深處,都有一種根深蒂固的需要,就是希望自己是一個發現者、研究者、探索者．物理概念的學習是學習者主動對概念建立關聯,并使這樣的關聯活化的過程．教師不可能直接地滲入學習者個體的思維,但可以順應學生的需要和狀態來操作教學環境,引導他們深度學習．[4]讓不同層次的學生都能全身心投入思考和活動,學習者方能“有所知、有所悟、有所發現,甚至有所創造”,這便是主動生成的標志．

教學實錄5.

問題1.做一做:通過彎曲并列的玻璃磚觀察酒精燈,能看到什么?為什么?(如圖19)

交流討論1:在海面附近,空氣溫度較低,空氣密度大,折射率較大,上層空氣溫度高,折射率較小,因此隔著海觀察對岸的城市像懸在空中一樣,即為生活中“海市蜃樓”奇觀,試解釋這一現象?(如圖20)

圖19 圖20

交流討論2:在沙漠上,地表附近空氣溫度較高,空氣稀薄,因而折射率較小,而上層空氣溫度低,折射率較大,看遠處一顆樹是倒立的,也是一種“海市蜃樓”奇觀,試解釋這一現象?(如圖21)

交流討論3:夏天,在平坦的柏油路上,你會看到在一定的距離之外的地面顯得格外明亮,仿佛是一片“水面”,當你向前運動時,這片“水面”也向前移動．試解釋這一現象?(如圖22)

圖21 圖22

問題2.解開硬幣“消失”之謎?

提示1.玻璃杯不加水時,你能從側壁看到硬幣,這是什么原因?(生:硬幣發出的光經空氣、薄玻璃從側壁進入人的眼睛)

提示2.玻璃杯加水后,你從側壁看不到硬幣,這是什么原因?(生:硬幣發出的光不能從側壁射出,人眼看不到硬幣發出的光．師:硬幣發出的光去了哪里呢?試畫出光路，如圖23.)

圖23

聽課評價： 教師平鋪直敘地創設情景或提出問題,只會使學生感到平淡無味,也難以啟迪學生的思維．本環節教學中,教師先讓學生通過彎曲的玻璃棒觀察酒精燈,這個實驗現象與“海市蜃樓”奇觀很接近,這一觀察為后續學生的交流討論“搭臺引路”．3個拓展性問題都是生活化情境,緊密聯系學生的日常生活和切身感受,增添了物理認知的新鮮度．學生互動中,相異觀點的“協商”并“碰撞”激發學習者主動探索和深入思考,學習的蹊徑也就增加了“接點”,探索的激情也被旺盛的激起．這樣的教學對學習者而言,有著“金風玉露一相逢,便勝卻人間無數”之功效．

觀摩反思： 應試“指揮棒”下的“高效”課堂從來就容不下生成的時間和空間,缺乏讓學生主動參與、親身體驗、積極建構的過程,教學便失去了靈動的活力、缺乏必要的深度和應有的發展性．以“交流討論”為主,多元互動、多邊互動的課堂,將學生卷入教學活動中,常常有“乘風破浪會有時”的佳境．

6 結論

當然,物理概念教學的“5個維度”不孤立的,應該是一個統一的整體,具有內在的一致性．在教學層面不應把它們相互割裂開來分別地加以設計,這很容易導致課堂教學支離破碎．“5個維度”也不是5條互不相交的“平行線”,而存在著“交集”．各維度的思想應該在每一個教學環節中努力滲透,使它們發揮著相輔相成、同構共融的整體功能,概念課堂的魅力將無處不在,無時不有．

1 孫可平，鄧小麗.理科教育展望[M].上海： 華東師范大學出版社，2002:10.

2 焦爾當，安德烈，裴新寧，變構模型:學習研究的新路徑[M].杭零，譯.北京:教育科學出版社,2010:178-188.

3 郭元祥.知識的性質、結構與深度教學[J].課程·教材·教法,2009(11):20-21.

4 李松林.深度教學的四個實踐著力點——兼論推進課堂教學縱深改革的實質與方向[J].教育理論與實踐,2014(31):53-56.

本文為江蘇省教育科學研究“十三五”規劃重點課題“高中物理概念學習的深度教學實踐研究”階段性成果,課題編號:B-b/2016/02/51;江蘇省教育科學研究“十三五”規劃重點課題“指向深度學習的高中物理教學研究”階段性成果,課題編號:B-b/2016/02/45.

2017-05-12)